嵌入式技術(shù)在兒童交互玩具中的應(yīng)用

摘要：

介紹了現(xiàn)有市場(chǎng)中兒童交互玩具的發(fā)展現(xiàn)狀，綜述了嵌入式系統(tǒng)的相關(guān)概念及其特點(diǎn)。通過(guò)助行玩具設(shè)計(jì)實(shí)踐，重點(diǎn)研究了嵌入式技術(shù)在兒童交互玩具開(kāi)發(fā)過(guò)程中的應(yīng)用，提出了基于嵌入式系統(tǒng)的兒童交互玩具的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：

兒童 交互玩具 嵌入式技術(shù) 助行玩具

中國(guó)分類(lèi)號(hào)：TB47

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（ 2015） 02-0023-03

我國(guó)是世界最大的玩具生產(chǎn)制造國(guó)，玩具產(chǎn)量占世界的三分之一，而加工貿(mào)易出口比重在80%左右。玩具產(chǎn)業(yè)要迅速發(fā)展進(jìn)步，高新科技的介入是不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，以交互體驗(yàn)功能為主導(dǎo)的嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的兒童玩具產(chǎn)品正逐步成為新時(shí)代的市場(chǎng)潮流，高科技、高智能化、仿生技術(shù)、電腦技術(shù)、語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)、微型機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)等不斷滲透到玩具設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，現(xiàn)代兒童玩具在產(chǎn)品交互體驗(yàn)性大環(huán)境趨勢(shì)下體現(xiàn)出更多的交互功能。

為滿(mǎn)足兒童生活的真實(shí)需求，包括生活情趣、新的生活體驗(yàn)、情感互動(dòng)等，倡導(dǎo)體驗(yàn)式產(chǎn)品交互模式，通過(guò)嵌入式技術(shù)的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)兒童交互玩具的互動(dòng)功能，提升交互玩具的可用性，讓玩具不再以簡(jiǎn)單和靜態(tài)的形式出現(xiàn)，而是嵌入式技術(shù)所賦予的動(dòng)態(tài)和活潑的體驗(yàn)形式，從而給兒童交互玩具創(chuàng)新功能的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)可能。

一 市場(chǎng)現(xiàn)有交互類(lèi)兒童玩具分析

兒童交互玩具的開(kāi)發(fā)已然經(jīng)成為世界各國(guó)玩具開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)，許多國(guó)家致力于兒童身心行為的研究及交互技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā)，并已經(jīng)在兒童交互玩具的技術(shù)方面取得了獨(dú)特成果。

英國(guó)蘇塞克斯大學(xué)的計(jì)算機(jī)學(xué)院對(duì)交互玩具的技術(shù)開(kāi)發(fā)與使用模式做了一定程度的研究，通過(guò)內(nèi)置傳感器，使兒童在與玩具的互動(dòng)中得到反饋，此外，玩具可作為中介，將計(jì)算機(jī)的輸出反饋通過(guò)玩具表現(xiàn)出來(lái)，增加互動(dòng)式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。美國(guó)在交互玩具研究方面領(lǐng)先于其他各國(guó)，憑借其豐富的研究經(jīng)驗(yàn)，在高精度的傳感器研究方面取得了重要的研究成果。樂(lè)高公司的兒童智能機(jī)器人是通過(guò)游戲性的活動(dòng)來(lái)鼓勵(lì)兒童動(dòng)手、動(dòng)腦創(chuàng)作，激發(fā)兒童的興趣，引導(dǎo)兒童思考。日本在研究交互玩具方面也具有其獨(dú)創(chuàng)性，善于通過(guò)高靈敏度的傳感器得到玩具更多的情緒反饋，例如富士通研發(fā)的慰藉小熊本身裝有攝像頭，可進(jìn)行人臉識(shí)別，而內(nèi)置的接觸傳感器使其具有觸摸感應(yīng)功能，觸摸玩具不同部位可以得到不同的情緒反饋。法國(guó)在研究交互玩具方面有創(chuàng)新性的科技展示，如Aldebaran公司的NAO機(jī)器人通過(guò)慣性導(dǎo)航儀裝置，可以在移動(dòng)模式下保持平穩(wěn)，還可以靠紅外傳感器探測(cè)并避開(kāi)障礙物，通過(guò)其他傳感器等嵌入式系統(tǒng)可與人進(jìn)行更多的互動(dòng)。

相比國(guó)外形勢(shì)，國(guó)內(nèi)的兒童交互玩具在創(chuàng)新和技術(shù)方面還存在一定的差距。近幾年，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)及玩具公司也逐漸把科技含量高、情趣化的兒童交互玩具作為研究、開(kāi)發(fā)重點(diǎn)。如皮皮熊，在國(guó)內(nèi)兒童交互玩具市場(chǎng)上具有一定的引導(dǎo)性，在玩具的互動(dòng)功能開(kāi)發(fā)方面具有一定的創(chuàng)新性。皮皮熊不僅具有娛樂(lè)、教育、錄音等語(yǔ)音功能，還首創(chuàng)了玩具的體位變化感應(yīng)功能。

此外，“聽(tīng)說(shuō)小博士”是國(guó)內(nèi)較為專(zhuān)業(yè)的兒童早教交互玩具品牌，對(duì)于不同年齡階段的兒童來(lái)開(kāi)發(fā)不同系列的聽(tīng)說(shuō)早教玩具，結(jié)合權(quán)威聽(tīng)說(shuō)早教課程，配合音頻和網(wǎng)絡(luò)來(lái)培養(yǎng)兒童的語(yǔ)言表達(dá)能力。

兒童交互玩具的設(shè)計(jì)應(yīng)由低層次娛樂(lè)向高層次情感交互拓展。利用嵌入式技術(shù)促進(jìn)兒童玩具交互功能的創(chuàng)新，為兒童提供更有趣的交互體驗(yàn)，增強(qiáng)兒童產(chǎn)品的交互操作性，促進(jìn)兒童交互玩具的智能化發(fā)展。同時(shí)促進(jìn)玩具業(yè)的發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)，提高核心創(chuàng)造能力，使嵌入式兒童交互玩具走品牌化、精品化道路，實(shí)現(xiàn)兒童玩具產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定增長(zhǎng)。

二 嵌入式技術(shù)概述

嵌入式系統(tǒng)以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟、硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等方面有嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。從系統(tǒng)的角度定義：嵌入式系統(tǒng)是設(shè)計(jì)完成復(fù)雜功能的硬件和軟件，并使其緊密耦合在一起的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式軟件操作系統(tǒng)以及用戶(hù)的應(yīng)用程序4大部分組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他外部設(shè)備控制以及網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換等功能。

嵌入式系統(tǒng)主要具有以下特點(diǎn)：

（1）可裁剪性。支持開(kāi)放性和可伸縮性的體系結(jié)構(gòu)。

（2）強(qiáng)實(shí)時(shí)性。EOS實(shí)時(shí)性一般較強(qiáng)，可用于各種設(shè)備控制中。

（3）統(tǒng)一的接口。提供設(shè)備統(tǒng)一的驅(qū)動(dòng)接口。

（4）操作方便、簡(jiǎn)單、提供友好的圖形GUI和圖形界面，追求易學(xué)易用。

提供強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，支持TCP/IP協(xié)議及其他協(xié)議，提供TCP/UDP/IP/PPP協(xié)議支持及統(tǒng)一的MAC訪(fǎng)問(wèn)層接口，為各種移動(dòng)計(jì)算設(shè)備預(yù)留接口。

（5）強(qiáng)穩(wěn)定性，弱交互性。嵌入式系統(tǒng)一旦開(kāi)始運(yùn)行就不需要用戶(hù)過(guò)多的干預(yù)、這就要負(fù)責(zé)系統(tǒng)管理的EOS具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。嵌入式操作系統(tǒng)的用戶(hù)接口一般不提供操作命令，它通過(guò)系統(tǒng)的調(diào)用命令向用戶(hù)程序提供服務(wù)。

（6）固化代碼。在嵌入式系統(tǒng)中，嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件被固化在嵌入式系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的ROM中。

（7）更好的硬件適應(yīng)性，也就是良好的移植性。

（8）嵌入式系統(tǒng)和具體應(yīng)用有機(jī)地結(jié)合在一起，它的升級(jí)換代也是和具體產(chǎn)品同步進(jìn)行，因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進(jìn)入市場(chǎng)就具有較長(zhǎng)的生命周期。

三 兒童交互助行玩具設(shè)計(jì)實(shí)踐

3.1 設(shè)計(jì)策略

兒童在幼兒時(shí)期的主導(dǎo)活動(dòng)是玩。玩也是孩子的天性，促進(jìn)兒童行為、認(rèn)知、社交的發(fā)展，是促進(jìn)兒童的身心發(fā)展的最好形式。兒童通過(guò)玩，開(kāi)展早期的探索、學(xué)習(xí)、創(chuàng)造、娛樂(lè)、社交活動(dòng)，從而促進(jìn)發(fā)育，積累經(jīng)驗(yàn)，建立自信；也幫助兒童學(xué)習(xí)控制自己的行為，學(xué)會(huì)與他人的互動(dòng)?；谏鲜龇治?，兒童交互玩具的設(shè)計(jì)需通過(guò)內(nèi)置的傳感器技術(shù)增加玩具與兒童的交互效果，鼓勵(lì)兒童與玩具間的互動(dòng)，促進(jìn)想象力的激發(fā)，讓兒童通過(guò)玩具自行創(chuàng)造有故事的場(chǎng)景，達(dá)到人、空間、環(huán)境豐富的交互效果。

不同年齡的兒童身心發(fā)展?fàn)顩r不同，以致對(duì)玩具的需求也不盡相同。

1至3歲：這個(gè)時(shí)期的兒童除了能隨心所欲地坐，站之外，還能簡(jiǎn)單步行，對(duì)外在世界的探索更熱切，對(duì)于動(dòng)感的玩具，尤為喜歡。

3至4歲：兒童的身體機(jī)能逐步發(fā)育完善，手、眼，腦的協(xié)調(diào)更趨成熟，求知欲增強(qiáng)，喜歡多樣化、激發(fā)思維、提高感知的玩具。

4到5歲：兒童可實(shí)現(xiàn)多樣化的行為動(dòng)作，語(yǔ)言能力發(fā)展迅速，開(kāi)始模仿成人活動(dòng)，邏輯思維增強(qiáng)，情感表達(dá)開(kāi)始豐富化，適合玩情感體驗(yàn)性、協(xié)調(diào)合作式的玩具。

5到6歲：兒童的動(dòng)作行為已較為準(zhǔn)確，自控能力增強(qiáng)，語(yǔ)言表達(dá)能力較為成熟，情感需求強(qiáng)烈，情緒表達(dá)逐漸豐富，喜歡挑戰(zhàn)性的游戲，喜歡具有挑戰(zhàn)性、啟發(fā)性、情感性的玩具。

由此可見(jiàn)，不同年齡的兒童對(duì)玩具有不同的體驗(yàn)性需求，需要將不同形式的體驗(yàn)交互行為納入不同年齡層次的兒童玩具產(chǎn)品的研發(fā)。此外，在設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)考慮兒童需求，呈現(xiàn)令兒童滿(mǎn)意的操作體驗(yàn)、視覺(jué)效果。從玩具的體驗(yàn)性、生活性、情感性、游戲性、教育性和科技性等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)探索，在設(shè)計(jì)過(guò)程中要注意以下幾點(diǎn)：

（1）簡(jiǎn)單操作，對(duì)于功能同質(zhì)化趨于嚴(yán)重的大環(huán)境下，操作的繁簡(jiǎn)程度成為應(yīng)用有效的競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)符合兒童操作習(xí)慣的控件布局，適當(dāng)?shù)貎和龑?dǎo)，為兒童提供簡(jiǎn)單、便于操作的使用方式。

（2）愉悅體驗(yàn)，兒童交互玩具設(shè)計(jì)除了滿(mǎn)足兒童在功能上需求以外，還要滿(mǎn)足兒童在使用過(guò)程中情感上的需求。要充分考慮兒童的情感體驗(yàn)，在情感上與兒童產(chǎn)生共鳴，這樣才能使兒童激發(fā)出長(zhǎng)期使用的沖動(dòng)。

（3）以?xún)和癁橹行模O(shè)計(jì)過(guò)程中要注重兒童的使用感受。切實(shí)關(guān)注兒童需求、認(rèn)知、心理活動(dòng)、使用感受。

3.2 設(shè)計(jì)目的與要求

根據(jù)1-3歲兒童的成長(zhǎng)特點(diǎn)分析，設(shè)計(jì)一款兒童互動(dòng)類(lèi)助行玩具，兒童在學(xué)步的同時(shí)也能體會(huì)交互當(dāng)中的樂(lè)趣。玩具通過(guò)內(nèi)置加速度傳感器和外部控制設(shè)備進(jìn)行互動(dòng)，控制設(shè)備安裝在兒童的腿腕部，兒童只要進(jìn)行一定頻率的上下走動(dòng)動(dòng)作，玩具也會(huì)跟著走動(dòng)，兒童走動(dòng)頻率越高，玩具的速度也就越快。當(dāng)兒童靜止不動(dòng)時(shí)，玩具也會(huì)靜止不動(dòng)。

交互玩具技術(shù)開(kāi)發(fā)要求：兒童動(dòng)作頻率通過(guò)加速度傳感器獲取，無(wú)線(xiàn)傳輸至所控制玩具；無(wú)線(xiàn)接收裝置控制范圍為5米；無(wú)線(xiàn)傳輸與接收方式為1對(duì)1，多個(gè)玩具一起交互時(shí)不會(huì)產(chǎn)生干涉：玩具根據(jù)兒童動(dòng)作頻率控制運(yùn)動(dòng)快慢，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互目的。

3.3 嵌入式技術(shù)在兒童助行玩具開(kāi)發(fā)過(guò)程中的應(yīng)用

助行玩具硬件部分由發(fā)射和接收兩個(gè)模塊組成，系統(tǒng)總體框架圖如下：

3.3.1 發(fā)射模塊

通過(guò)計(jì)步器模塊檢測(cè)出行走的信號(hào)，發(fā)給STC單片機(jī)。單片機(jī)再進(jìn)行信號(hào)處理，通過(guò)PT2262芯片編碼，再通過(guò)315M頻率發(fā)送出去。

發(fā)射模塊硬件設(shè)計(jì)框圖如圖3.2所示：

3.3.2 接收模塊

315MHz無(wú)線(xiàn)接收模塊收到信號(hào)后，通過(guò)PT2272進(jìn)行解碼，單片機(jī)收到解碼的信號(hào)后，控制LED指示燈和電機(jī)工作，進(jìn)而控制玩具行走。

接收模塊硬件設(shè)計(jì)框圖如圖3.5所示：

四 嵌入式技術(shù)在兒童交互玩具應(yīng)用中的發(fā)展趨勢(shì)

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益成熟，支持網(wǎng)絡(luò)功能的嵌入式產(chǎn)品將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，這不僅將成為嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)，也將是兒童交互玩具發(fā)展的一個(gè)研究熱點(diǎn)，基于嵌入式系統(tǒng)的兒童交互玩具未來(lái)的研究有以下幾點(diǎn)趨勢(shì)：

（1）高集成度、低功耗、小型化。隨著嵌入式系統(tǒng)的微型化、智能化，兒童交互玩具將朝著高智能化、可視化、高集成度、小型化方向發(fā)展；

（2）提供方便、快捷的人機(jī)界面。嵌入式系統(tǒng)被廣泛使用，主要原因是它的多媒體人機(jī)界面的方便、快捷，這將使兒童交互玩具的操作更加方便快捷、人性化；

（3）遠(yuǎn)程控制必成為趨勢(shì)。

五 結(jié)語(yǔ)

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，各種各樣的微處理器相繼涌現(xiàn)，而性?xún)r(jià)比卻越來(lái)越高，這為嵌入式技術(shù)的發(fā)展提供了良好的前提條件。另一方面，隨著人們認(rèn)識(shí)的發(fā)展和技術(shù)水平的不斷提高，玩具的式樣、品種也不斷改進(jìn)創(chuàng)新，人們對(duì)于嵌入式玩具的質(zhì)量要求也越來(lái)越高。從而將迎來(lái)嵌入式系統(tǒng)面向系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、普適化、低成本、低功耗、高性能、高可用等技術(shù)的發(fā)展。更加具有科學(xué)性、教育性、趣味性，基于嵌入式技術(shù)開(kāi)發(fā)而設(shè)計(jì)的玩具也將越來(lái)越多。